王小雨, 魏劍剛, 李文琴, 朱路平

(上海第二工業(yè)大學(xué)a. 環(huán)境與材料工程學(xué)院;b. 上海先進(jìn)熱功能材料工程技術(shù)研究中心,上海201209)

0 引言

ZnO 和SnO2是重要的半導(dǎo)體氧化物, 廣泛應(yīng)用于傳感、光催化等領(lǐng)域。近年來,研究發(fā)現(xiàn),基于ZnO 和SnO2得到的三元混合氧化物--偏錫酸鋅(ZnSnO3)的性能更優(yōu)異,在傳感領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,已然成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)之一。本文從微納米ZnSnO3傳感材料的研究工作進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 ZnSnO3 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZnSnO3為立方面心堆積的八面體結(jié)構(gòu), Zn 原子和O 原子分別位于立方體結(jié)構(gòu)的頂點(diǎn)和面中心,Sn 原子位于由6 個(gè)O 原子組成的正八面體的間隙位置,如圖1 所示。

ZnSnO3具有大量的氧空位,氧空位容易吸附空氣中的氧, 從而使得ZnSnO3材料在低溫環(huán)境下對還原性氣體表現(xiàn)出較高的氧化活性[1-2]。ZnSnO3中的金屬原子(Zn 和Sn) 也可以被其他的金屬離子,如Co、Ca 等部分取代[3-6],從而形成晶體結(jié)構(gòu)缺陷;另外,ZnSnO3還可以通過表面修飾以及異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建等方式進(jìn)行改性,從而使其比單一的金屬氧化物的性能更優(yōu)異[7]。

圖1 ZnSnO3 晶體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Representation of crystal structure of ZnSnO3

2 ZnSnO3 的制備方法與形貌

眾所周知, 材料的形貌結(jié)構(gòu)、尺寸直接影響其相關(guān)性能。因此,開展ZnSnO3微納米結(jié)構(gòu)的可控合成及性能研究,對于最終實(shí)現(xiàn)其在環(huán)境治理、檢測及鋰離子電池等領(lǐng)域的應(yīng)用具有十分重要的意義。

2.1 制備方法

表1 所示為當(dāng)前微納米ZnSnO3的制備方法、樣品形貌與尺寸粒徑。由表1 可以看出, 制備ZnSnO3的方法主要包括水熱合成法、共沉淀法、溶膠- 凝膠法。水熱合成法[8-12]能夠在相對高的溫度和壓力下, 通過對反應(yīng)參數(shù)如pH、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、助劑(包括表面活性劑)等的調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)對產(chǎn)物形貌、結(jié)構(gòu)、尺寸的調(diào)控等, 進(jìn)而優(yōu)化其相關(guān)理化性能; 產(chǎn)物純度高、晶粒發(fā)育完整、分布均勻。但水熱法也存在設(shè)備要求高、安全性較差以及難以連續(xù)操作等不足,距離工業(yè)化生產(chǎn)還有一段距離。共沉淀法[13-16]是制備ZnSnO3比較常見且較為簡易的方法之一,產(chǎn)物原料來源廣、成本低,粒度均勻可控,易于工業(yè)化生產(chǎn),但一般需要煅燒退火處理。溶膠凝膠法[17-18]也是制備ZnSnO3常用的方法, 但此方法制備的ZnSnO3粒度均勻性及形貌可控性較差。隨著技術(shù)的發(fā)展,近年來也出現(xiàn)了一些新的方法和手段,如液相組裝法[19-20]、機(jī)械化學(xué)合成法[21]、生物合成法[22]、微波輔助法[23]等。相信隨著技術(shù)和方法的進(jìn)一步發(fā)展,一定會(huì)有更多的新方法和合成策略出現(xiàn)。

表1 ZnSnO3 材料的制備方法、形貌及尺寸Tab.1 Preparation methods,morphology and size of ZnSnO3 materials

2.2 產(chǎn)物形貌

圖2(a)～(l) 所示為ZnSnO3結(jié)構(gòu)的形貌圖。傳統(tǒng)的溶膠凝膠法制備ZnSnO3時(shí), 由于晶體的生長取向幾乎沒有受到外部限制,產(chǎn)物的形貌可控性較差,一般多為不規(guī)則的小顆粒,如圖2(a)所示。隨著新方法的出現(xiàn)、傳統(tǒng)方法的發(fā)展以及多方法的融合,多種不同形貌的ZnSnO3微納米結(jié)構(gòu),包括立方體、空心立方體、yolk-shell 結(jié)構(gòu)及雙殼中空立方體、三角片狀結(jié)構(gòu)堆積的微球、分級結(jié)構(gòu)空心微球、正八面體、截頂八面體、十四面體、空心開口多面體、松枝狀超薄納米線結(jié)構(gòu)體等被成功地合成出來,產(chǎn)物的粒徑也實(shí)現(xiàn)了可控。

圖2 ZnSnO3 形貌圖 (a) 納米顆粒的SEM 圖[18]; (b) 微球的SEM 圖[16]; (c) 中空微球的SEM 圖[10]; (d) 立方體的TEM圖[20];(e)分級多孔結(jié)構(gòu)的SEM 圖[9];(f)空心立方體的TEM 圖[8];(g)yolk-shell 狀立方體的TEM 圖[13];(h)雙殼中空立方體的TEM 圖[13]; (i)八面體結(jié)構(gòu)的TEM 圖[19]; (j)十四面體結(jié)構(gòu)的SEM 圖[19]; (k)空心開口多面體結(jié)構(gòu)的SEM圖[11];(l)松針狀結(jié)構(gòu)的TEM 圖[12]Fig.2 Morphology of ZnSnO3 (a) SEM of nanoparticles[18]; (b) SEM of microspheres[16]; (c) SEM of hollow microspheres[10];(d) TEM of cubes[20]; (e) SEM of hierarchical and porous nanocubes[9]; (f) TEM of hollow cubes[8]; (g) TEM of yolk-shell cubes[13];(h)TEM of double-shell hollow cubes[13];(i)SEM of octahedra[19];(j)SEM of 14-faceted polyhedra[19];(k)SEM of hollow polyhedrons with open nanoholes[11];(l)TEM of nanowire architectures[12]

3 應(yīng)用

ZnSnO3作為一種重要的n 型半導(dǎo)體材料,其特殊的晶體結(jié)構(gòu)和三元組成, 以及靈敏度高、選擇性好和穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn), 使其廣泛應(yīng)用于氣敏傳感、觸覺傳感等領(lǐng)域。

3.1 氣體傳感器

近年來,隨著人們對有毒有害氣體快速有效檢測的需求越來越大,氣體傳感器引起了人們的廣泛關(guān)注和極大的研究熱情。目前,有關(guān)ZnSnO3氣敏性能的研究主要集中在甲醛[8-9,20,24]、氫氣[25-26]、乙醇[14,23,27]、正丙醇[16]、丙酮[11,28]、丁烷[10]和硫化氫[26]等還原性和可燃性氣體。

3.1.1 甲醛氣體傳感器

Zeng 等[8]以得到ZnSnO3中空立方體狀納米籠為氣敏材料,對甲醛進(jìn)行了檢測,結(jié)果顯示所得的ZnSnO3樣品對甲醛具有較高的靈敏度,在210 ℃的工作溫度下,對10、20、50、100 和3000 mg/L 甲醛的響應(yīng)值(Response) 分別為1.9、3.2、5.4、10.6 和62.9。其中,對50 mg/L 甲醛的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別約在15 s 和60 s。Jia 等[24]以制得的ZnSnO3微球?yàn)闅饷舨牧? 并對甲醛的氣體進(jìn)行了檢測。結(jié)果表明, ZnSnO3微球在260 ℃下,對50 mg/L 甲醛的響應(yīng)值為17,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為6 s 和18 s;對低至5 mg/L 甲醛的響應(yīng)值為5,如圖3 所示。

圖3 (a)工作溫度對ZnSnO3 微球?qū)?0 mg/L 甲醛的氣體響應(yīng)的影響;(b)ZnSnO3 微球?qū)Σ煌瑴y試氣體的選擇性;(c)ZnSnO3 微球?qū)兹舛鹊捻憫?yīng);(d)20 mg/L 甲醛的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間[24]Fig.3 (a) Effect of working temperature on gas response of ZnSnO3 microspheres to 20 mg/L formaldehyde; (b)selectivity of ZnSnO3 microspheres to different test gases; (c) response of ZnSnO3 microspheres to formaldehyde concentration;(d)response and recovery time to 20 mg/L formaldehyde[24]

ZnSnO3微球優(yōu)異的氣敏性能可以解釋為:ZnSnO3微球由細(xì)小的納米顆粒組成, 表面粗糙,存在大量活性位點(diǎn),這樣測試氣體和氧氣就能通過孔隙迅速擴(kuò)散到傳感表面,從而提高了氣體的傳感性能。顯然,通過形貌、結(jié)構(gòu)控制,能夠獲得很高的靈敏度和短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間,實(shí)現(xiàn)實(shí)際生活中甲醛的檢測。

3.1.2 氫氣傳感器

Wadkar 等[25]用水熱合成ZnSnO3立方晶體為傳感材料, 研究了其對不同氣體響應(yīng)特性。測試結(jié)果表明, 375 ℃下, ZnSnO3立方晶體對50 mg/L 氫氣的靈敏度為652.36,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為1 s 和12 s(見圖4)。由于其快速的響應(yīng)-恢復(fù)特性以及高的選擇性和穩(wěn)定性,該材料完全可以作為可重復(fù)使用的氫氣氣敏材料。Patil 等[26]以水溶性氯化鋅和氯化錫為原料,采用噴霧熱解技術(shù),在預(yù)熱的玻璃基板上制備了納米結(jié)構(gòu)的ZnSnO3薄膜。研究發(fā)現(xiàn)其對氫氣表現(xiàn)出明顯的選擇性,其對氫氣的響應(yīng)值先隨操作溫度的升高而增大;在操作溫度為350 ℃時(shí)達(dá)到最大值112.93,而后隨著操作溫度的升高而降低。此外,該納米結(jié)構(gòu)的ZnSnO3薄膜在熱和化學(xué)氣氛中具有較高的穩(wěn)定性,完全可以作為氫氣傳感材料,并用于實(shí)際生產(chǎn)。

3.1.3 乙醇?xì)怏w傳感器

Zhou 等[14]以空心立方型ZnSnO3為傳感材料,對乙醇?xì)怏w進(jìn)行了檢測。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示, 基于空心立方型ZnSnO3的傳感器在260 ℃時(shí), 對100 mg/L乙醇響應(yīng)值約為實(shí)心立方型ZnSnO3的1.77 倍。此外, 該傳感器還具有很好的選擇性、重現(xiàn)性和長期穩(wěn)定性。這可能與其較大的表面積、中空的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及高表面滲透性等有關(guān)。Zhang 等[23]通過簡單的微波輔助方法和隨后的煅燒處理,成功制備了單分散的具有粗糙表面的均勻ZnSnO3微球, 平均直徑為700 nm。在230 ℃的最佳工作溫度下,ZnSnO3微球?qū)σ掖急憩F(xiàn)出高靈敏度和好選擇性。當(dāng)傳感器暴露于50 mg/L 乙醇中時(shí),響應(yīng)值為47,響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為11 s 和12 s?；诖藗鞲衅鞲叩撵`敏度、好選擇性、短的響應(yīng)-恢復(fù)時(shí)間以及好的穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn), 該微球形ZnSnO3材料可以作為乙醇檢測的候選材料。王中長等[27]采用草酸-氨水共沉淀法制備了ZnSnO3粉體,經(jīng)700 ℃燒結(jié)2 h 后制備了一種對乙醇具有高靈敏度和高選擇性的傳感器。其對乙醇的靈敏度可達(dá)13.329,響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間為7 s。在有其他氣體共存時(shí),其對乙醇表現(xiàn)出良好的選擇性;并經(jīng)30 d 的連續(xù)檢測,依然表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖4 (a)ZnSnO3 立方晶體對不同氣體的響應(yīng)(50 mg/L 和375 ℃);(b)375 ℃下ZnSnO3 立方晶體對50 mg/L 氫氣氣體的循環(huán)響應(yīng)曲線[25]Fig.4 (a)The gas response of ZnSnO3 cubic crystallites to different gases(50 mg/L and 375 ℃);(b)repetitive response curves of ZnSnO3 cubic crystallites to 50 mg/L hydrogen at 375 ℃[25]

3.1.4 丙醇?xì)怏w傳感器

Yin 等[16]以大量三角薄片堆積而成的ZnSnO3納米球?yàn)闅饷舨牧? 進(jìn)行了氣體響應(yīng)的檢測。結(jié)果表明, 在200 ℃的工作溫度下, ZnSnO3納米球?qū)?00 μg/L 的正丙醇?xì)怏w的檢測極限可達(dá)1.7,并表現(xiàn)出良好的可逆性、選擇性和重復(fù)性。

3.1.5 丙酮?dú)怏w傳感器

Chen 等[11]以聚乙烯吡咯烷酮(PVP)輔助水熱法制得的空心開口的ZnSnO3多面體為氣敏材料,結(jié)果表明, 所得的ZnSnO3樣品對丙酮具有良好的選擇性,在240 ℃的工作溫度下,對50 mg/L 丙酮的響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別約在17 s 和10 s。Huang 等[28]以水熱法及煅燒處理的單分散的多孔ZnSnO3立方體為氣敏材料, 并對丙酮?dú)怏w進(jìn)行了檢測。研究發(fā)現(xiàn),隨著多孔ZnSnO3立方體粒徑的減小,其對丙酮的響應(yīng)越好。

3.1.6 丁烷氣體傳感器

Fan 等[10]以制得的ZnSnO3中空微球?yàn)闅饷舨牧? 進(jìn)行了丁烷響應(yīng)測試。結(jié)果顯示, 其對100、300、500、700 和900 mg/L 丁烷的響應(yīng)值分別為3.42、5.1、5.79、7.43 和8.09,且響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間＜1 s,如圖5(a)所示。此外,由圖5(b)的氣體響應(yīng)循環(huán)實(shí)驗(yàn)可知, 制得的ZnSnO3中空微球具有較好的穩(wěn)定性和可重復(fù)性。

3.1.7 硫化氫氣體傳感器

Wang 等[29]以水熱+堿蝕法制得的富含氧空位的空心立方結(jié)構(gòu)的ZnSnO3為氣敏材料, 進(jìn)行了硫化氫氣體的監(jiān)測。結(jié)果顯示, 制得的樣品對硫化氫均表現(xiàn)出良好的選擇性,其中,ZnSnO3-C1(蝕刻1 h)的響應(yīng)值最大。在335 ℃下,對100 mg/L 硫化氫的響應(yīng)、恢復(fù)時(shí)間為6、22 s。Zeng 等[30]采用簡單的水熱法合成了中空分級結(jié)構(gòu)的ZnSnO3立方體。這些由納米小粒子組成分層結(jié)構(gòu),具有大的比表面積和高的表面滲透性,因此表現(xiàn)出良好的氣體響應(yīng)性。在工作溫度為310 ℃時(shí),其對17.6～50 mg/L 硫化氫的響應(yīng)時(shí)間不超過20 s,表現(xiàn)出較快的響應(yīng)速度。

顯然,通過形貌、結(jié)構(gòu)以及尺寸控制,能夠獲得高的靈敏度和短的響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間,從而有助于更好地應(yīng)用于生產(chǎn)生活中的氣體檢測。

圖5 (a)以ZnSnO3 空心微球?yàn)榛A(chǔ)的傳感器在380 ℃下對丁烷濃度的響應(yīng)和恢復(fù)曲線;(b)基于空心ZnSnO3 微球的傳感器在380 ℃對500 mg/L 丁烷下的5 個(gè)循環(huán)響應(yīng)曲線[10]Fig.5 (a)Response and recovery curves of the sensor based on hollow ZnSnO3 microspheres to increasing concentration of butane at 380 ℃;(b)5 cycles of response curves of sensors based on hollow ZnSnO3 microspheres at 380 ℃to 500 mg/L butane[10]

3.2 觸覺傳感器

觸覺是人與外界環(huán)境直接接觸時(shí)的重要感覺功能,研制滿足要求的觸覺傳感器是機(jī)器人發(fā)展中的技術(shù)關(guān)鍵之一。Chepuri 等[31]通過在二氧化硅布上直接生長ZnSnO3納米立方體來制備可伸縮的活動(dòng)傳感器,并用于監(jiān)測普通觸覺傳感器無法測量的生理信號,其靈敏度和響應(yīng)時(shí)間分別為0.12 kPa-1和350 ms。該傳感器還可進(jìn)一步用于識別手腕脈搏壓力、手指運(yùn)動(dòng)、手腕運(yùn)動(dòng)和手指按壓(見圖6)。

圖6 (a)脈搏測量裝置示意圖;(b)傳感器在脈沖壓力下的時(shí)間響應(yīng);(c)腕部傳感器的集成和腕部運(yùn)動(dòng)下傳感器的響應(yīng);(d)手指上的傳感器集成以及傳感器在不同角度彎曲下的響應(yīng)手指(30°、45° 和90°)[31]Fig.6 (a) Schematic for atrial radial pulse measurement device; (b) temporal response of the fabricated sensor under radial pulse pressure;(c)integration of sensor on wrist and the response of the sensor under wrist movement;(d)integration of the sensor on the finger and the response of the sensor under different angle bend (30°, 45° and 90°)[31]

在此基礎(chǔ)上,Chepuri 等[31]還制作了大面積傳感器陣列(4×4),并將其集成到人的手上,實(shí)現(xiàn)了觸摸的 “感覺” 和響應(yīng)的空間映射(見圖7)。這為電子皮膚的發(fā)展奠定了基礎(chǔ), 在人機(jī)界面、人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測、個(gè)人保健、消費(fèi)電子等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

圖7 (a)集成在紙襯底上的4×4 陣列傳感器圖;(b)、(c)傳感器陣列集成在人手;(d)人手指觸摸壓力傳感器任何兩點(diǎn);(e)響應(yīng)表現(xiàn)出物體的形狀和位置(筆);(f)、(g)傳感器對手指滑動(dòng)不同軌跡的響應(yīng)[31]Fig.7 (a) photographic images with 4×4 array sensors integrated on paper substrates; (b), (c) sensor array made by integration of flexible hand; (d) a human finger touching any two pixels of the random pressure manufacturing sensor; (e) the response showing the shape and position of the object (pen); (f), (g) the response of the sensor in the sliding of the human finger with different trajectories[31]

4 功能改性

隨著研究的深入,單一的ZnSnO3微納米結(jié)構(gòu)材料的性能已經(jīng)不能滿足相關(guān)需求,為了提高和改善其相關(guān)性能,科研人員對ZnSnO3進(jìn)行了改性研究。

4.1 表面修飾

Yin 等[32]研究發(fā)現(xiàn), 當(dāng)Ag 在ZnSnO3空心納米立方體表面的沉積量達(dá)到0.6%時(shí),其對100 mg/L丙酮的靈敏度為31.62,是純相ZnSnO3空心納米粒的3.18 倍,表現(xiàn)出超快的響應(yīng)-恢復(fù)速度,且檢測限可低至1 mg/L。而Jin 等[33]通過表面沉積Pt 納米顆粒,實(shí)現(xiàn)ZnSnO3納米棒對25、50 和100 mg/L 的硫化氫的響應(yīng)速率18.5 倍、15.0 倍及12.8 倍的提高; 且對硫化氫的恢復(fù)時(shí)間也少于純相ZnSnO3納米棒。Bai 等[34]聯(lián)合化學(xué)沉淀和退火方法制備了Pd 修飾的ZnSnO3微米球。研究發(fā)現(xiàn),Pd 的沉積量為4%時(shí),其對10 mg/L 甲醛的靈敏度達(dá)到41,較純相ZnSnO3微球提高了4 倍多; 且檢測限可下探至0.1 mg/L。Chen 等[35]采用靜電紡絲法實(shí)現(xiàn)了Au 對In 摻雜ZnSnO3納米纖維修飾。研究表明,當(dāng)Au 對In 摻雜ZnSnO3納米纖維的負(fù)載量達(dá)到0.25% 時(shí),其表現(xiàn)出最優(yōu)的氣敏性能,在200 ℃的工作溫度下,可以有效檢測50 mg/L 的丙酮,靈敏度達(dá)19.3,其響應(yīng)和恢復(fù)時(shí)間分別為10 s 和13 s。Chen 等[36]采用熱分解法實(shí)現(xiàn)Ag 納米粒子在中空ZnSnO3立方體上的沉積。相關(guān)電化學(xué)性能測試顯示,Ag 沉積的中空ZnSnO3立方體比純相中空ZnSnO3立方體具有更高的比容量和更好的循環(huán)性能。當(dāng)Ag 含量達(dá)到5%時(shí),在300 mA/g 的電流密度下,45 次循環(huán)后,其存留容量為464.5 mAh/g,遠(yuǎn)高于ZnSnO3空心立方體的存留容量(233.4 mAh/g)。Guo 等[37]采用簡單的沉淀-煅燒法,設(shè)計(jì)合成了一種新型的碳點(diǎn)(CDs)修飾的ZnSnO3多孔光催化劑。在可見光激發(fā)下,CDs 負(fù)載量為3%時(shí),CDs 修飾的ZnSnO3多孔光催化劑對四環(huán)素的降解速率達(dá)到最高,為純相ZnSnO3的21 倍。可見,通過對ZnSnO3表面進(jìn)行修飾能進(jìn)一步提高其相關(guān)理化性能。其可能是貴金屬、CDs等具有很好的電荷傳輸性能、催化作用, 通過貴金屬、CDs 的修飾能夠降低被測氣體化學(xué)吸附的活化能、改善載流子傳輸效率、增加光吸收,從而有效縮短響應(yīng)時(shí)間、促進(jìn)光生載流子的分離、拓寬光響應(yīng)范圍,實(shí)現(xiàn)氣敏、光催化以及電化學(xué)性能的提高。

4.2 異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建

最近研究人員發(fā)現(xiàn), 異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建可以較好地提高ZnSnO3的靈敏度和選擇性, 降低響應(yīng)- 恢復(fù)時(shí)間。

Wang 等[38]制備了三維花狀異質(zhì)結(jié)構(gòu)的TiO2/ZnSnO3復(fù)合材料。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)TiO2達(dá)10%時(shí), TiO2/ZnSnO3在80 ℃下對500 mg/L 乙醇的最大響應(yīng)值達(dá)到74.21。Haq 等[39]制備了NiO 微球/ZnSnO3納米纖維復(fù)合材料, 并研究了其氣敏性能。與純ZnSnO3納米纖維相比,NiO/ZnSnO3對乙醇顯現(xiàn)出高靈敏、高選擇性以及響應(yīng)- 恢復(fù)快、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)。在160 ℃下對20 mg/L 乙醇的響應(yīng)值為23.95, 約為純ZnSnO3納米纖維的2.5倍。Jin 等[40]采用熱蒸發(fā)法實(shí)現(xiàn)CuO 在ZnSnO3納米棒表面的涂覆,制備得到了CuO/ZnSnO3復(fù)合材料,并對硫化氫進(jìn)行檢測。結(jié)果顯示,相比未修飾的ZnSnO3納米棒,CuO/ZnSnO3對25、50 和100 mg/L的硫化氫氣體的響應(yīng)分別提高了61.7 倍、49.9 倍和31.3 倍。Bai 等[41]采用化學(xué)沉淀法和自組裝退火法制備了NiO@ZnSnO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)分級微球,研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)NiO/ZnSnO3摩爾比為1:10 時(shí),在85 ℃的工作溫度下對0.1、1 mg/L 甲醛的靈敏度分別為2.2 和10.4,表現(xiàn)出較低的檢出限和快速響應(yīng)特性。Guo 等[42]以水熱法制備的ZnWO4/ZnSnO3異質(zhì)結(jié)構(gòu)為氣敏材料, 對甲醛進(jìn)行檢測, 結(jié)果顯示, ZnWO4/ZnSnO3對甲醛的檢測限可至30 mg/L,靈敏度達(dá)到73,響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間可低至14 s。顯然,特殊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)可提供額外的電阻調(diào)制,從而實(shí)現(xiàn)傳感性能的提升。

5 結(jié)語

采用不同的方法, 能夠制備出微納米尺度的ZnSnO3產(chǎn)物,并且通過實(shí)驗(yàn)參數(shù)的調(diào)控,產(chǎn)物的形貌和結(jié)構(gòu)可以得到有效的控制。而不同制備方法得到的ZnSnO3在傳感性能方面存在較大的差異, 更大的比表面積、更多吸附活性位等對傳感性能的提升有很大的影響。然而, 以單一的ZnSnO3來制備的氣體傳感器,存在工作溫度較高,功耗較大、穩(wěn)定性較差等問題;通過金屬、非金屬,如碳量子點(diǎn)等的修飾以及異質(zhì)結(jié)的構(gòu)建等手段, ZnSnO3的性能可得到進(jìn)一步提高。深入研究其傳感性能及其反應(yīng)機(jī)理,探索更簡單有效的制備方法和改性策略,應(yīng)該是ZnSnO3基材料的發(fā)展方向。而低成本、高靈敏度、柔性、高性能、人性化的紡織品傳感器的設(shè)計(jì)和制造, 以及高效人機(jī)交互則需要在現(xiàn)有ZnSnO3基觸覺傳感器的基礎(chǔ)上作進(jìn)一步的研究。

總之,ZnSnO3作為一種非常有潛力的半導(dǎo)體功能材料,其優(yōu)異的傳感性能還需要更多理論上的支持和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的佐證, 進(jìn)而解決ZnSnO3在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題。在最大限度發(fā)揮ZnSnO3自身特點(diǎn)和優(yōu)勢的同時(shí),還應(yīng)結(jié)合實(shí)際,以應(yīng)用和工業(yè)化為導(dǎo)向進(jìn)行研究開發(fā)。相信在科技工作者的共同努力下,通過深入系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和理論研究,一定可以得到高性能的ZnSnO3基傳感材料。